木材尺寸稳定性研究进展.

木材尺寸稳定性研究进展

摘要：木材尺寸稳定性处理是扩大木材应用范围、提高木制产品质量的重要途径之一。尺寸稳定化处理的方式很多，本文列举了目前已经在工业化生产中应用的主要方法以及实验研究中新发现的一些改性处理途径，并分析了不同方法的优势和不足。

关键词：尺寸稳定性、木材改性、热处理、物理方法、化学方法

1木材的尺寸不稳定原因

木材属多孔性材料，大的孔隙如细胞腔和纹孔等，小的如微纤丝间隙，而且木材中又含有许多亲水基团，使得水分很容易渗透到木材内部，且与木材中某些成分以化学键或氢键形式结合，引起纤丝的润胀，从而使木材尺寸发生变化，即木材的干缩湿胀性能。更重要的是，木材为各向异性材料，各方向上随木材含水率变化而不均匀胀缩，易产生翘曲、变形、开裂等缺陷，极大地制约了木材的应用范围。因此，改善木材的尺寸稳定性对木材的高效利用具有重要的意义。[1]

2木材的尺寸稳定性改善方法

提高木材尺寸稳定性的方法有很多，美国的A.J.Stamm曾把这些方法分为五大类: ①用交叉层压的方法进行机械抑制、②用防水涂料进行内部或外部涂饰、③减少木材吸湿性、④对木材细胞壁组分进行化学交联、⑤用化学药品预先使细胞壁增容。[2]而根据化学药剂是否与生物质材料细胞壁组分发生化学反应的观点，可以将将尺寸处理方法分为物理法和化学法两大类。

2.1物理方法

2.1.1防水处理

防水处理即提高木材对水的润湿、浸透的抵抗能力，通过使用处理剂对木材内外表面覆盖、堵塞吸水通道等措施，达到防水目的。常用的处理剂有石蜡、亚麻油、各种油漆和有机硅树脂等。研究发现，用辐射松、黑松、赤松和瓶树树皮的苯醇抽提物处理木材、其拒水性增强，原因是由于羟基脂肪酸在处理材面高度定向排列。[2]

2.1.2防湿处理

防湿处理最常用的方法是在木材表面涂饰涂料或胶贴贴面材料，以延缓湿空气在木材中的扩散速度，降低木材对水蒸气的吸着速率。但涂层老化、脱落后，处理材随即失去防湿效能。至于内部涂饰，是将防水性材料溶于挥发性溶剂中浸渍木材，待溶剂挥发后拒水材料留存于生物质材料内表面。但内部涂饰不能将木材的内表面完整地覆盖，如果稍有裂隙则水或水汽即可侵入，降低了防水或阻滞吸附水汽的效果，木材尺寸稳定性也就无从控制。[2] 2.1.3酚醛树脂处理

将低分子量酚醛树脂注入生物质材料，加热使其产生缩聚固化反应，可以生成不溶性树脂，使处理材尺寸稳定，同时也改变生物质材料的其它性质(如胶压木、浸渍木等)。随着木材中树脂含量的增加，木材的尺寸稳定性增加，当树脂含量超过40%时，尺寸稳定性不再增加，ASE趋于稳定。高分子量树脂多沉积在细胞腔内，与内部涂饰类似，只有抑制尺寸变化速度的作用，而不能从根本上改善木材的尺寸稳定性。

2.1.4聚乙二醇（PEG）处理

聚乙二醇(PEG)主要用来处理湿材，是将PEG浸泡或涂饰在木材表面，借助PEG可充胀木材纤维的结果，增加细胞壁体积，在高相对湿度下，细胞壁中的PEG变为水溶液，并保持膨胀状态，通过增容效应改善木材尺寸稳定性。可应用于古木保存和防止室外用胶合板的表面开裂。

2.2化学方法

2.2.1热处理

木材高温热处理又称木材炭化，是目前工业化生产中最常用的一种方法。其改性机理是利用木材中的半纤维素耐热性能较差，在高温作用下首先降解，释放的有机酸(多糖醛酸)发生了化学变化生成吸湿性差的聚合物。同时加热使吸着水除去，细胞壁纤维素非结晶区的分子链之间距离缩短形成新的氢键结合，降低了木材的吸湿性，增加了尺寸稳定性。处理温度通常为160℃～250℃，导热介质有蒸汽、氮气或导热油。经高温热处理一段时间后，木材的组成成分发生各种物理化学变化，缓解木材内部生长应力和干燥应力。[3]蔡绍祥等以马尾松木材为研究对象，采用的高温水热处理工艺（温度分别为140、160、180、200℃，热处理时间为1、3、5h）改性马尾松木材，分析处理前后尺寸稳定性与颜色变化规律。结果表明：马尾松木材失重率随处理温度的升高和时间延长而增加，平衡含水率随处理温度的升高和时间延长而减小；马尾松木材在高温水热处理后，抗胀性减小，抗涨率的绝对值在处理时间相同时，随温度的升高而增大，温度相同时随时间的延长而变大，说明其尺寸稳定性增强。[4]

付宗营等通过对进口辐射松木材分别以4个温度水平和3个时间水平进行热处理。结果显示：在一定温湿度条件下，热处理辐射松木材的平衡含水率EMC明显小于素材，并随热处理温度升高而明显降低，热处理时间对木材EMC影响较小。随着热处理温度升高和热处理时间延长，木材阻湿率MEE、ASE均呈增大趋势。[5]

吕蕾等以落叶松、红橡和奥克榄为研究对象，采用不同的常压蒸汽热处理工艺条件，对照未处理材，研究热处理温度和时间对木材尺寸稳定性的影响。结果表明：热处理温度和时间对木材的尺寸稳定性有显著影响；木材吸湿性随温度提高逐渐降低，当热处理温度上升到一定程度时，尺寸稳定性改善趋缓；随着热处理时间延长，木材尺寸稳定性提高；木材高温热处理后吸湿性和吸水性的改善与木材的密度、结构等物理性能相关。[6]

热处理后木材的尺寸稳定性能显著提高40.0%~63.9%。同时，在180~220℃ 范围内，随热处理温度的提高和处理时间的延长，尺寸稳定性逐渐增大，并且热处理温度对其影响更显著。但木材热处理作为一种高温乏氧环境下的高效木材改性手段。热处理后木材的尺寸稳定性显著提升，木材沉稳优雅同时耐久性有所改善，但不恰当的热处理工艺也会造成木材开裂、脆性增加和力学性能损失严重等问题。[7]

2.2.2乙酰化处理

乙酰化处理是通过用乙酰剂中疏水性乙酰基(CH3CO—)置换生物质材料中亲水性羟基(—OH)，羟基数量减少；由于乙酰基的导入，产生酯的增容效应，相比之下增容效应是决定性的，使处理材尺寸稳定提高，被广泛应用于浴室的墙壁、门和地板。

2.2.3异氰酸酯处理、甲醛处理

异氰酸酯基易与木材中羟基反应，使木材中亲水基（主要是—OH）减少，从而达到稳定尺寸的目的。甲醛在强酸或无机盐的催化作用下，可与木材中的—OH发生交联反应，形成亚甲基化合物，从而减少木材与水分的结合机会，达到稳定尺寸的目的。[1]

3其他处理方法

3.1注蜡处理

木材注蜡改性自古就有，在故宫的史料中也有记载。木材注蜡就是将木材放入蜡中熬煮，被煮的木材要全浸泡在蜡里面，在熬煮的过程中，蜡将木材中的水分和部分油脂置换出来后逐步渗透到木材内部。处理后的木材不仅能达到烘干的效果，还能将木材定型。注蜡技术可以显著提高木材的尺寸稳定性，延长时间可以获得较好的处理效果。[8]

3.2负压轻炭化处理

薛紫荞等将3种木材分别置于真空炭化箱内以160℃，0MPa的条件处理3.0h，然后将木材按照国标规定的木材物理力学试材锯解及试样截取方法加工，分别测量木材的密度、色差、冲击韧性、抗弯强度、抗弯弹性模量、硬度、干缩率和湿胀率。结果表明：在该炭化工艺下单瓣豆的体积干缩系数降低了16.00%，尺寸稳定性有较大改善；抗弯强度增加了18.00%，径面、弦面和端面硬度分别增加了19.00%，33.00%和50.00%，冲击韧性损失24.00%。负压轻炭化能够在一定程度上改善木材的尺寸稳定性，并且使其物理力学性能不受太大损失。

[9]

3.3热压密实处理

陆全济等以油棕木为研究对象，采用软化后热压密实方法进行试验，研究初含水率和压缩温度对油棕压缩木密度和尺寸稳定性的影响。结果表明：不同初含水率（20%、35%、50%）和压缩温度（160、180、200℃）条件下，油棕压缩木压缩率为47.2%~48.8%，密度为0.79~0.88 g/cm3，回弹率和压缩回弹恢复率均随着初含水率和压缩温度的增大而降低，24 h吸水率和平衡含水率同样随着初含水率和压缩温度的增大而降低，相比较于初含水率，压缩温度对压缩木尺寸稳定性的改善更明显。[10]

参考文献

[1]刘培义，孟国忠. 木材的尺寸稳定性处理. 木材工业，2003

[2]于红卫. 提高木材尺寸稳定性的方法. 林业科技，2002.09

[3]王艳伟. 木材高温处理热处理技术的研究进展及展望. 林业机械与木工设备，2014

[4]蔡绍祥. 高温水热处理对马尾松木材尺寸稳定性和材色的影响.西南林业大学学报，2019

[5]付宗营. 热处理对进口辐射松木材抗弯性能和尺寸稳定性的影响. 木材工业，2019.11

[6]吕蕾. 热处理对三种木材尺寸稳定性的影响. 林业科技，2020

[7]邢东. 热处理木材的材性预测与质量控制研究现状与发展. 浙江农林大学学报，2020

[8]姜文静. 名贵硬木家具设计与尺寸稳定性改善. 艺术科技，2018

[9]薛紫荞. 负压轻炭化木材物理力学性能. 浙江农林大学学报，2019

[10]陆全济. 油棕木密实化及其尺寸稳定性研究. 热带作物学报，2019